钛带材卷抛丸机式法生产工艺

文章出处：未知编辑：抛丸机发表时间：2018-7-6 11:21:48 浏览人数：1082,1,0

　　摘要：文章先容了钛带材卷式法生产工艺的特点、技术难点以及相关工艺设备, 并指出了该工艺的优越性。

　　钛是一种重量轻、强度高、耐腐蚀、有金属光泽的轻金属。因其具有优异的综合力学性能、低密度和耐蚀性, 被称为“太空金属”、“海洋金属”、“智能金属”等, 得到了广泛应用。在航空航天领域中, 钛是大喷气式燃气涡轮发动机常用材料, 占结构质量的1/3以上图2 钛带抛丸生产线配置示意图Fig.2 Layout of titanium strip shot blasting treatment line

图2 钛带抛丸生产线配置示意图Fig.2 Layout of titanium strip shot blasting treatment line

, 还可应用于太空飞行器的燃料箱和卫星舱体;在核能源领域中, 应用于核废料安全存储多分系统中;化工领域中用于制作电极、容器和槽罐等;在环保领域中, 为了处理燃料发电厂释放的含硫气体, 气体脱硫工厂内排气管道和烟囱的内衬用钛板。钛同时还可应用于海洋和近海、生物医学、汽车制造等领域。

　　冷轧板带材约占钛加工材的60%, 高精度纯钛板带以薄壁钛焊管用带材和钛板式换热器、冷凝管用带材为代表, 用于制作海水淡化和滨海电站以及石油精炼厂和海上钻井平台的换热器、凝汽器中的换热管。70年代以前, 国内只有块式法生产钛板带的生产工艺, 钛带材卷式生产尚属空白。直到2008年以后开始逐步工业化应用卷式法工艺, 用带卷轧制方法生产钛板带材有如下优点: (1) 有利于降低生产成本, 可高速化、大卷重进行生产, 提高了生产效率; (2) 扩大了产品规格范围, 因为这种方法可以轧制薄而宽的大尺寸板带材, 减少几何废料的金属损失, 提高成品率; (3) 提高了表面质量和板带材平整度以及力学性能的稳定性。采用卷式法生产高精度薄钛板及带材是纯钛板带材生产的发展趋势。

　　纯钛带材卷式法生产的主要工艺流程为, 钛板锭→加热→热轧 (热连轧机或炉卷轧机) →卷取→退火→抛丸机处理→酸洗→冷轧→除油→ (中间真空退火—冷轧—除油) →成品真空退火→矫平→表面修磨→成品剪切。

　　本文将先容纯钛带材卷式法生产工艺流程中关键工序的工艺技术。

　　1 加热与热轧

　　1.1 加热

　　纯钛带材生产所需的坯料为钛板锭, 目前国内用于热轧的钛板锭厚度120~240mm、宽度800~1600mm、长度2000~4000mm。为提高金属的塑性, 便于轧制, 钛板锭在热轧前需要加热, 板锭的加热温度为850~1050℃, 一般在步进式加热炉中采用电加热或燃气加热。根据板锭厚度以及加热效率的不同, 加热时间在2.5~4.5h。由于钛在高温下具有较强的化学活性, 板锭热轧前在加热炉中加热时应保证氧化程度最小, 金属中的氧、氮、氢气体的含量最小。钛的导热性差, 加热时温度梯度大易产生热应力, 加热应缓慢升温, 避免热裂纹产生, 为减少加热后板锭的温降, 加热炉的布置应靠近热轧机。

　　1.2 热轧

　　纯钛带材生产的关键在于热轧, 国外成熟的生产经验是利用热连轧或炉卷轧机生产热轧卷。

　　1.2.1 炉卷轧机方式

　　钛材有其自身加工特点, 钛材在卷取轧制时温度要超过650℃。由于钛材在轧制过程中温降大, 如果利用类似铝带材轧制的单机架轧机或热粗轧机+热精轧机进行双卷取轧制, 则温度无法保证, 不能进行卷取轧制。可利用炉卷轧机将双卷取的卷轴放在加热炉内, 在卷取轧制时对带材进行加热。

　　炉卷轧机是用一个可逆的精轧机架配上两个卷取炉来取代热连轧机。炉卷轧机的典型配置是热粗轧机+炉卷精轧机。钛板锭在加热炉中加热后, 在带有立辊的粗轧机上轧制7~13道次, 道次压下量为25%~35%, 将钛板锭轧制至厚度18~25mm。经粗轧机轧制后带坯的温度815~870℃。在炉卷精轧机上带坯经3~5道次轧制最终达到2.8~3.5mm。轧制开始温度在760~820℃, 轧制终了温度在680~720℃, 道次压下量为25%~45%, 在650~680℃下可顺利卷取, 轧制出符合规格的带卷。

　　采用炉卷轧机方式生产的主要有, 中铝沈阳有色金属加工厂1780mm 4辊可逆炉卷热轧机、云南钛业股份有限企业1725mm炉卷轧机和宝钢特钢2000mm炉卷轧机。

　　1.2.2 热连轧机方式

　　热连轧机是由热粗轧机+多机架热精轧机组成。这种生产方式多是利用轧钢厂的热连轧机组生产纯钛热轧卷, 生产线配置如图1所示。

　　图1 热连轧生产线配置示意图Fig.1 Layout of hot tandem rolling mill Fig.1 The schematic plan of hot rolling tandem mill

　　该生产方式是板锭在热粗轧机上轧制9~15道次后, 直接在多机架热精轧机上轧制为成品厚度, 最终在卷取机上卷取为厚2.0~3.0mm的热轧卷。热连轧机生产的纯钛热轧卷和炉卷轧机产品相比较具有板形好、厚度公差小、表面质量好以及金属损耗少等优点。此种方式重要的环节是热精轧, 因为不仅大部分产品的机械性能取决于精轧, 同时在高速连轧时轧件头部在精轧机上产生的故障很多, 对带材热连轧机的效率的影响很大。要想得到表面良好无氧化皮缺陷的带材, 必须对精轧除鳞装置和轧辊表面进行严格的管理。国内采用这种方式生产的有, 攀钢集团特殊钢有限企业利用攀钢集团新钢钒企业热连轧厂的“2+7”1450mm热连轧机组进行生产, 湖南湘投金天钛业有限企业利用华菱涟钢热连轧机进行生产。

　　热轧钛带卷的工艺研究重点主要是, 优化热轧时的加热温度、开轧温度、终轧温度和卷取温度等技术参数, 保证产品性能;合理控制轧制量、轧辊辊形, 以及选择合理的工艺冷却方式, 使产品的材质、板形、尺寸公差达到国际标准;完善专门生产热轧钛带卷的轧制模型, 实现钛带卷产品质量稳定和规模化生产。今后还应进行作为钛带热轧专用设备的改造, 以更进一步抑制氧扩散层生长, 更有效地防止擦伤, 提高带材质量。

　　2 热轧卷表面处理

　　工业纯钛的主要杂质元素有氧、氮、氢、碳、铁、硅等, 其中氧、氮、氢、碳为间隙性杂质。钛在加热和热轧时会吸氧、氢和氮, 由于表面先出现氧化层, 阻碍了钛在加热和热轧过程中的吸氢和氮, 所以热轧卷表面主要是氧化层, 当氧化层达到一定量时, 材料冷加工将失去塑性, 出现脆性断裂。因此为了便于热轧卷的后续加工, 热轧卷在退火后继续冷轧前需要去除表面的氧化扩散层, 一般采用抛丸处理等机械方法和酸洗相结合, 去除量约为几十微米图2 钛带抛丸生产线配置示意图Fig.2 Layout of titanium strip shot blasting treatment line

。

　　2.1 抛丸处理

　　热轧钛带的表面处理工艺流程和不锈钢非常相似, 可以参照不锈钢的热轧卷退火酸洗工艺。所不同的是钛非常昂贵, 需要把退火、抛丸、酸洗分开进行, 不连续进行。

　　钛带抛丸机生产线包括钛带开卷、抛丸机矫平和收卷装置。主要由开卷机、抛丸室、弹丸清扫室、吹丸机构、抛丸器总成、弹丸控制器、螺旋输送器、斗式提升机、丸渣分离器、输送辊道、卷取机、检修平台、除尘系统、气动控制系统、电气控制系统等组成。采用辊道承送钛带, 在辊道的上、下各布置两台抛丸器。通过调整抛丸器定向套, 保证抛射带覆盖整个钛带宽度, 使钛带一次通过, 打击其表面氧化皮, 为下一步酸洗工艺提供便利条件。生产工艺流程为, 上料小车上料→开卷机开卷→纠偏→校平→抛丸处理→收卷机收卷→下料小车下料。钛带抛丸生产线配置如图2所示。

　　2.2 酸洗处理

　　通常酸洗的介质为氢氟酸 (1%~10%) 加硝酸 (10%~30%) , 酸液温度为40~60℃。酸洗工艺的重点是确保表面的美观程度以及达到所要求的表面状态, 通过控制酸溶液的浓度、温度以及反应时间控制必要的酸洗量。

　　其生产工艺流程为, 热轧钛带卷→上料受卷台上料小车→开卷机→压辊及开卷器→侧导对中装置→多辊矫直机→切头剪→切角剪→挤干辊→酸洗槽→清洗槽→烘干机→夹送辊→活套→导向夹送辊→切尾剪→三辊张力机→卷取机→卸料。

　　图2 钛带抛丸生产线配置示意图Fig.2 Layout of titanium strip shot blasting treatment line

　　3 冷轧与成品退火

　　3.1 冷轧

　　热轧卷经退火、表面处理后进行冷轧, 纯钛热轧卷经过数道次冷轧轧至成品厚度。用普通2辊及4辊轧机难以进行钛材薄板、薄带材及箔材的冷轧, 可能产生的主要问题是弯曲、边浪和中浪, 主要因为单位压力高, 引起轧辊极大的弹性变形及压扁。

　　用现代化的装有液压弯辊系统、可以调节辊型的大轧制力4辊轧机, 或是20辊轧机, 由刚性好的牌坊及小直径工作辊的轧机来轧制钛材薄板、带材, 可消除前述缺点。同时选用大卷取力的卷取机, 轧制时可以给予带材较大的张力, 并给予大量的工艺润滑油, 可极大降低金属作用于轧辊的压力, 减少轧辊弹性变形及轧辊弯曲, 同样可以强化轧制工艺过程, 获得表面良好、厚度公差降低10%~20%的高质量卷材图2 钛带抛丸生产线配置示意图Fig.2 Layout of titanium strip shot blasting treatment line

。钛材带卷进行数道次冷轧, 总压下量在20%~50%以上。

　　冷轧工艺研究的重点是板形控制、表面质量与轧制速度及道次压下率的关系等。

　　3.2 成品退火

　　成品退火是为了控制产品最终性能, 使钛带完全再结晶, 使机械性能和晶粒度均一化。工业纯钛的再结晶温度为550~650℃, 因此再结晶退火温度应高于再结晶温度, 但低于α-β相的转变温度。在650~700℃退火可获得最高的综合机械性能图2 钛带抛丸生产线配置示意图Fig.2 Layout of titanium strip shot blasting treatment line

。成品退火设备主要有连续退火和成卷真空退火。用氩气保护的连续退火, 生产率高、材质均匀、表面质量好, 但目前国内尚无此种设备图2 钛带抛丸生产线配置示意图Fig.2 Layout of titanium strip shot blasting treatment line

。成卷真空退火其主要工艺是, 冷轧卷→除油→装炉→抽真空 (氮气保护) →加热升温至一定温度→保温→二次抽真空 (氩气保护) →加热至退火温度→保温→风冷至300℃以下→水冷至80℃左右→出炉。

　　退火工艺研究的重点是根据钛带卷的尺寸不同, 确定加热时间、保温时间、保温温度、冷却时间、炉内压力变化、充氩气时间等。

　　4 精整

　　为提高带材的平直度以减少带材表面缺陷以及剪切成品尺寸, 带材成品退火后进行精整处理。钛带材的精整工艺相对比较成熟, 设备主要有:

　　(1) 拉弯矫直机组, 用于带材的矫平;

　　(2) 砂带研磨机, 用于带材表面缺陷的修磨;

　　(3) 横切机组, 用于板材的成品剪切;

　　(4) 纵切机组, 用于带材的成品剪切。

　　5 结语

　　今年是我国“十三五”计划的开局之年, 国家布局了海洋资源开发和深海空间站、深空探测、卫星商业化应用、核电发展、新能源汽车等重点项目, 为钛板带材提供了前所未有的发展空间和历史契机。表面光洁、组织细小均匀、力学性能优异的宽幅薄钛板带 (宽1000~1500mm、厚0.1~3.5 mm) 的需求日趋增长, 开发钛带材的卷式轧制工艺有利于推动国家综合实力的进一步提升, 对我国国民经济发展有着重大及深远意义。

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本文来源青岛华盛泰抛丸机：/jishu/1082.html

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